Syre ackumulerades först i jordens atmosfär för cirka 2,4 miljarder år sedan, under den stora oxidationshändelsen. Ett långvarigt pussel har varit att geologiska ledtrådar tyder på att tidiga bakterier fotosyntetiserade och pumpade ut syre hundratals miljoner år innan dess. Vart tog allt vägen?

Något höll tillbaka syreuppgången. En ny tolkning av bergarter som är miljarder år gamla visar att vulkaniska gaser är de troliga bovarna. Studien ledd av University of Washington publicerades i juni i tidskriften med öppen tillgång Naturkommunikation .

"Denna studie återupplivar en klassisk hypotes för utvecklingen av atmosfäriskt syre, " sa huvudförfattaren Shintaro Kadoya, en UW-postdoktor i geo- och rymdvetenskap. "Datan visar att en utveckling av jordens mantel kan styra en utveckling av jordens atmosfär, och möjligen en evolution av livet."

Flercelligt liv behöver en koncentrerad tillförsel av syre, så ackumuleringen av syre är nyckeln till utvecklingen av syreandande liv på jorden.

"Om förändringar i manteln kontrollerade atmosfäriskt syre, som denna studie antyder, manteln kan i slutändan sätta ett tempo för livets utveckling, sa Kadoya.

Det nya verket bygger på ett papper från 2019 som fann att den tidiga jordens mantel var mycket mindre oxiderad, eller innehöll fler ämnen som kan reagera med syre, än den moderna manteln. Den där studien av gamla vulkaniska stenar, upp till 3,55 miljarder år gammal, samlades in från webbplatser som inkluderade Sydafrika och Kanada.

Robert Nicklas på Scripps Institution of Oceanography, Igor Puchtel vid University of Maryland, och Ariel Anbar vid Arizona State University är bland författarna till 2019 års studie. De är också medförfattare till den nya tidningen, tittar på hur förändringar i manteln påverkade de vulkaniska gaserna som flydde till ytan.

Den arkeiska Eon, när endast mikrobiellt liv var utbrett på jorden, var mer vulkaniskt aktiv än idag. Vulkanutbrott matas av magma – en blandning av smält och halvsmält sten – såväl som gaser som strömmar ut även när vulkanen inte har utbrott.

Vissa av dessa gaser reagerar med syre, eller oxidera, för att bilda andra föreningar. Detta händer eftersom syre tenderar att vara hungrig efter elektroner, så vilken atom som helst med en eller två löst hållna elektroner reagerar med den. Till exempel, väte som frigörs av en vulkan kombineras med allt fritt syre, ta bort det syret från atmosfären.

Den kemiska sammansättningen av jordens mantel, eller ett mjukare lager av sten under jordskorpan, i slutändan kontrollerar typerna av smält sten och gaser som kommer från vulkaner. En mindre oxiderad tidig mantel skulle producera mer av de gaser som väte som kombineras med fritt syre. 2019 års tidning visar att manteln gradvis blev mer oxiderad från 3,5 miljarder år sedan till idag.

Den nya studien kombinerar dessa data med bevis från gamla sedimentära bergarter för att visa en tipppunkt någon gång efter 2,5 miljarder år sedan, när syre producerat av mikrober övervann sin förlust till vulkaniska gaser och började ackumuleras i atmosfären.

"I grund och botten, tillgången på oxiderbara vulkaniska gaser kunde sluka upp fotosyntetiskt syre i hundratals miljoner år efter att fotosyntesen utvecklats, " sa medförfattaren David Catling, en UW-professor i jord- och rymdvetenskap. "Men när själva manteln blev mer oxiderad, färre oxiderbara vulkaniska gaser släpptes ut. Sedan översvämmade syre luften när det inte längre fanns tillräckligt med vulkanisk gas för att torka upp det hela."

Detta har implikationer för att förstå uppkomsten av komplext liv på jorden och möjligheten till liv på andra planeter.

"Studien visar att vi inte kan utesluta en planets mantel när vi överväger utvecklingen av planetens yta och liv, sa Kadoya.